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选择性激光烧结快速成形中振镜扫描与控制系统的研究

文世峰  
【摘要】: 振镜激光扫描技术以其高速、精确扫描的优点广泛应用于快速成形技术中,成为其核心部件。选择性激光烧结快速成形是快速成形技术的一个重要分支,以其用材广泛及成形速度快等优点应用日益广泛,其涉及计算机辅助设计与制造、计算机数字控制、激光、新材料和精密伺服等多项技术。本论文针对选择性激光烧结装备中扫描系统的整体设计、扫描控制卡的设计、图形扫描校正以及整个装备的自动化运行与监测等内容进行了论述。 研究了适用于选择性激光烧结系统的振镜式激光扫描相关理论,分析了激光性能对振镜式激光扫描系统扫描质量的影响,分析了不同工作范围的选择性激光烧结系统对扫描系统的要求。深入研究了采用F-Theta透镜聚焦方式的振镜式激光扫描系统和采用动态聚焦方式的振镜式激光扫描系统的扫描模型,充分考虑性能与成本因素,设计并实现了基于PC的振镜式激光扫描系统,其采用软件芯片方式,在PC内实现扫描系统的模型转换模块、数据插补模块、图形校正模块以及中断数据处理模块,在满足扫描系统性能的同时,极大地简化了扫描系统对扫描控制卡的要求;同时基于此振镜扫描系统,分别实现了低成本的采用F-Theta透镜聚焦方式振镜式激光扫描系统的小工作范围选择性激光烧结系统,以及采用动态聚焦方式振镜式激光扫描系统的大工作范围选择性激光烧结系统。 研究了振镜式激光扫描系统扫描过程中图形畸变产生的原因,结合不同结构振镜式激光扫描系统的数学模型,设计并实现了图形畸变校正的算法。采用F-Theta透镜聚焦的振镜式激光扫描系统在应用于选择性激光烧结系统时,随着工作范围的加大,工作面上的扫描图形畸变会逐渐加大,甚至无法实现图形的精确校正。因此,目前采用F-Theta透镜聚焦方式的选择性激光烧结系统一般工作范围小于350mm×350mm,针对其扫描图形的明显畸变,设计了一套图形整形、坐标校正以及多点校正相结合的扫描图形校正方案,实现了对图形畸变的精确校正。采用动态聚焦方式的振镜式激光扫描系统,其扫描模型为精确模型,针对其机械安装以及光路调整过程中出现的误差,设计了一套坐标校正和多点校正相结合的方案实现扫描图形的精确校正。 研究了振镜式激光扫描系统扫描控制卡的体系结构、硬件架构和驱动软件,提出了在PC内实现所有的扫描图形模型转换、路径插补以及扫描校正等复杂算法,通过中断I/O卡控制输出的基于PC的扫描控制系统。中断I/O卡的中断周期在ns级,通过系统实时响应中断请求来实现对振镜式激光扫描系统的实时控制。在采用中断I/O控制卡的基础上,设计了采用高性能的FPGA器件实现部分数据处理功能的扫描控制卡,在实现振镜控制的同时,优化了系统资源。 研究了选择性激光烧结装备的运动控制系统以及预热温度控制系统,提出了采用模糊控制、平滑滤波和阈值控制相结合的方法来实现预热温度场的均匀稳定控制。设计了选择性激光烧结装备运行的完备的自动化流程,充分考虑选择性激光烧结装备运行过程中的故障及干扰因素,提出了完备的系统运行监测方案,能够保证整个选择性激光烧结装备在具有一定冗余控制的情况下长时间安全以及稳定的运行。 本研究通过解决上述关键问题,研制出了基于PC的高性能二维和三维振镜式激光扫描系统,实现了选择性激光烧结装备的高度自动化稳定运行,促进了国内选择性激光烧结技术的发展,对选择性激光烧结技术在我国的推广应用具有一定意义。


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